JP2005519729A - Chemical processing by non-thermal discharge plasma - Google Patents
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Abstract
【課題】 非熱キャピラリー放電プラズマ(NT−CDP)ユニットや非熱スロット放電プラズマ(NT−SDP)ユニット(これらを合わせて「NT−CDP/SDP」と称する)を用いて化学反応を活性化する方法。
【解決手段】 NT−CDP/SDPユニットは、二層の誘電体層(8、9)間に設けられた第一電極を含み、第一電極及び誘電体層は少なくとも一個の貫通孔(例えばキャピラリーやスロット)を有する。この貫通孔に誘電体スリーブ(3)が挿入されていると共に、少なくとも一個の第二電極(2)(例えば、ピンやリング、金属ワイヤ、テーパ付金属ブレード等の形状のもの)が、組み合わされた貫通孔と流体連通関係にあるように設けられる。第一電極と第二電極との間に電圧差が与えられると、貫通孔から非熱プラズマ放電が放射される。すると、処理対象の化学原料が非熱プラズマにさらされる。このプロセッシングは、次の例示的化学反応、即ち、(i)官能基が導入された有機化合物を生成するための炭化水素原料の部分酸化、(ii)ポリマー繊維(例えば、炭素繊維製造におけるPAN繊維前駆物質)の化学的安定化、(iii)改質に適した原料を生成するための長鎖石油炭化水素の予備改質、(iv)一酸化炭素と水素ガスを生成するための化学的還元雰囲気(例えば、アンモニアや尿素)中での天然ガスの改質、(v)プラズマ強化水性ガス転化に適している。PROBLEM TO BE SOLVED: To activate a chemical reaction using a non-thermal capillary discharge plasma (NT-CDP) unit or a non-thermal slot discharge plasma (NT-SDP) unit (collectively referred to as “NT-CDP / SDP”). Method.
An NT-CDP / SDP unit includes a first electrode provided between two dielectric layers (8, 9), and the first electrode and the dielectric layer have at least one through hole (for example, a capillary). And slots). A dielectric sleeve (3) is inserted into the through hole, and at least one second electrode (2) (for example, a pin, ring, metal wire, tapered metal blade, etc.) is combined. And provided in fluid communication with the through-hole. When a voltage difference is applied between the first electrode and the second electrode, a non-thermal plasma discharge is radiated from the through hole. Then, the chemical raw material to be processed is exposed to non-thermal plasma. This processing involves the following exemplary chemical reactions: (i) partial oxidation of hydrocarbon feedstock to produce organic compounds with functional groups introduced; (ii) polymer fibers (eg, PAN fibers in carbon fiber production) Chemical stabilization of precursors), (iii) pre-reforming of long-chain petroleum hydrocarbons to produce feedstock suitable for reforming, and (iv) chemical reduction to produce carbon monoxide and hydrogen gas. It is suitable for reforming natural gas in an atmosphere (for example, ammonia or urea) and (v) plasma enhanced water gas conversion.
Description
関連出願の表示
本願は2000年12月15日出願の米国特許出願第09/738923号の一部継続出願である。また、本願は2001年8月2日出願の米国特許仮出願第60/309530号、及び2002年2月19日出願の同第60/358340号の利益の享受を請求するものであり、これらの出願の記載の全てを本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。
Related Application Indication This application is a continuation-in-part of US patent application Ser. No. 09/738923 filed on Dec. 15, 2000. Further, this application claims the benefit of US Provisional Application No. 60/309530 filed on August 2, 2001 and 60/358340 filed on February 19, 2002, and The entire description of the application is incorporated herein as part of this specification.
発明の技術分野
本発明は、プラズマを利用する化学プロセッシングに関する。特に、特定の化学種の活性化を、従来の放電技法(例えば、アークやグライディングアーク、誘電体バリア放電(DBD)、コロナ)を使用した場合に比べより均一に行うことにより、高収率且つ高エネルギー効率の化学変換を達成するための、非熱キャピラリー放電プラズマ(NT−CDP)や非熱スロット放電プラズマ(NT−SDP)(これらを合わせて「NT−CDP/SDP」と称する)の使用に関する。従来の放電技法では、空間的にも時間的にも不均質なフィラメント状の放電が創出される傾向があるが、これとは異なり、NT−CDP/SDP装置では空間非効率性を最小限に留めつつ広範囲に亘って安定なプラズマが発生され、従来と同じ処理を確実に行うことができる。また、NT−CDP/SDP装置は、特定の律速化学反応を選択的に開始させるように特定的に調節することができるため、所望の生成物を得る方向に反応を容易に進ませることができる。このような特定の方法で系にエネルギーを与えることにより、通常は高温及び高圧下でのみ可能である化学反応を大気条件下で起こすことが可能となる。調節は、パワー、反応物の組成や濃度、キャリアガスの組成や流量、温度、圧力、及び/又は反応器の幾何形状を変えることにより行なう。
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to chemical processing utilizing plasma. In particular, the activation of specific chemical species is performed more uniformly than when using conventional discharge techniques (for example, arc, gliding arc, dielectric barrier discharge (DBD), corona), so that high yield and Use of non-thermal capillary discharge plasma (NT-CDP) and non-thermal slot discharge plasma (NT-SDP) (collectively referred to as “NT-CDP / SDP”) to achieve high energy efficient chemical conversion About. Unlike conventional discharge techniques, which tend to create a spatially and temporally inhomogeneous filamentary discharge, NT-CDP / SDP devices minimize spatial inefficiencies. A stable plasma is generated over a wide range while retaining the same, and the same processing as the conventional one can be performed reliably. Moreover, since the NT-CDP / SDP apparatus can be specifically adjusted so as to selectively start a specific rate-limiting chemical reaction, the reaction can be easily advanced in a direction to obtain a desired product. . By energizing the system in such a specific way, chemical reactions that are normally possible only at high temperatures and pressures can occur under atmospheric conditions. Adjustments are made by changing power, reactant composition and concentration, carrier gas composition and flow rate, temperature, pressure, and / or reactor geometry.
産業上重要な化学反応を開始させる際に放電を使用することについては、既に知られており、長い間利用されてきている。放電の存在下で起こる最も古く且つ最も効率的な化学変換の一例としてはオゾンの生成が挙げられる。生成されたオゾンは、不飽和炭化水素と反応させることができ、これによりオゾン化物やアルデヒド、ケトンが合成される。初期の典型的なガス放電装置は、電気アーク(熱プラズマ)に各種反応ガスをさらすことに基づき操作するものであった(ナイト(Knight)、ヘンリー・ド・ボイネ(Henry de Boyne)著、「アーク放電;パワーコントロールへの応用(The arc discharge; its application to power control)」、ロンドン、チャップマン・アンド・ホール(Chapman & Hall)、(1960)参照)。 The use of electrical discharges to initiate industrially important chemical reactions is already known and has been used for a long time. An example of the oldest and most efficient chemical transformation that occurs in the presence of an electrical discharge is the production of ozone. The generated ozone can be reacted with unsaturated hydrocarbons, thereby synthesizing ozonated products, aldehydes, and ketones. Early typical gas discharge devices operated on the basis of exposure of various reactive gases to an electric arc (thermal plasma) (Knight, by Henry de Boyne, “ Arc discharge; its application to power control, London, Chapman & Hall, (1960)).
最近の技術革新により、熱プラズマと非熱プラズマの両方が化学プロセッシングにおいて使用されるようになった。ポーラウスカス(Paulauskas)らに付与された米国特許第6372192号公報には、プラズマを使用した炭素繊維の製造方法が記述されている。この特許の方法では、安定化ポリアクリロニトリル(PAN)繊維(炭素繊維プロセッシング中の第一工程)を、低圧無酸素雰囲気中でGHz周波数のプラズマによりカーボングラファイト繊維に変換する。しかしながら、この特許は、プロセスの初期工程においてPAN繊維を安定化するために酸素リッチなプラズマを使用することについては開示も示唆もしていない。この特許は、非熱プラズマの使用を教示しているといえるであろうか。 Recent innovations have led to the use of both thermal and non-thermal plasmas in chemical processing. U.S. Pat. No. 6,372,192 issued to Paulauskas et al. Describes a method for producing carbon fibers using plasma. In the method of this patent, stabilized polyacrylonitrile (PAN) fibers (first step in carbon fiber processing) are converted to carbon graphite fibers by a plasma at a GHz frequency in a low pressure oxygen-free atmosphere. However, this patent does not disclose or suggest the use of an oxygen rich plasma to stabilize PAN fibers in the early stages of the process. Can this patent teach the use of non-thermal plasmas?
プラズマを利用した燃料改質や燃料変換の分野における研究開発も、近年、大きく進展してきている。これは、主に、水素燃料電池に対して再び関心が集まってきたためである。例えば、コーン(Cohn)らに付与された米国特許第6322757号公報及びその中の引用文献は、炭化水素を改質し水素リッチなガスを生成するためのプラズマ燃料変換器(プラズマトロン等)を開示している。デターリング(Detering)らに付与された米国特許第6395197号公報には、軽質炭化水素(天然ガス)を所望の最終生成物、特に二原子水素と元素状態の炭素とに熱変換する、高温で操作する装置と方法が記述されている。別の特許発明(エリアソン(Eliasson)らに付与された米国特許第6375832号)には、水素(メタン等)と炭素(二酸化炭素等)とが多く含まれる気体を常態で液体の燃料に化学変換する方法が教示されている。このプラズマを利用したフィシャートロプッシュ合成は、固体ゼオライト触媒と併せて誘電バリア放電を使用して行なわれる。 In recent years, research and development in the fields of fuel reforming and fuel conversion using plasma have also made great progress. This is mainly due to the renewed interest in hydrogen fuel cells. For example, U.S. Pat. No. 6,322,757 issued to Cohn et al. And references cited therein provide a plasma fuel converter (such as a plasmatron) for reforming hydrocarbons to produce hydrogen-rich gas. Disclosure. US Pat. No. 6,395,197 issued to Detering et al. Describes the conversion of light hydrocarbons (natural gas) into the desired end product, in particular diatomic hydrogen and elemental carbon, at high temperatures. The device and method of operation are described. In another patented invention (US Pat. No. 6,375,832 granted to Eliasson et al.), A gas containing a large amount of hydrogen (such as methane) and carbon (such as carbon dioxide) is chemically converted into a liquid fuel in a normal state. A method of conversion is taught. Fischer Trop synthesis using this plasma is performed using a dielectric barrier discharge in combination with a solid zeolite catalyst.
プラズマプロセッシングにおいて大きな関心が寄せられている別の領域としては、ポリマー材料の濡れ性及び/又は表面接着性を増加させるプラズマ活性化表面処理の領域が挙げられる。これについては、例えば、L. A. ローゼンサール(L. A. Rosenthal)及びD. A. デービス(D. A. Davis)著の論文「Electrical Characterization of a Corona Discharge for Surface Treatment(表面処理におけるコロナ放電の電気的特性化)」、IEEE Transaction on Industry Applications(工業的応用におけるIEEE処理)、1A−11巻、第3号、328〜335頁、(1975年5/6月);S.ハン(S. Han)、Y.リー(Y. Lee)、H.キム(H. Kim)、G.キム(G. Kim)、J.リー(J. Lee)、J.ヨーン(J. Yoon)、G.キム(G. Kim)著の論文「Polymer Surface Modification by Plasma Source Ion Implantation(プラズマ源イオン注入によるポリマー表面改質)」、Surfaces & Coatings Technology(表面及びコーティング技術)、第93巻、261〜264頁(1997)、及びグレース(Grace)らに付与された米国特許第6399159号公報に記述されている。 Another area of great interest in plasma processing includes areas of plasma activated surface treatment that increase the wettability and / or surface adhesion of polymeric materials. For example, LA Rosenthal and DA Davis, “Electrical Characterization of a Corona Discharge for Surface Treatment”, IEEE Transaction on Industry Applications (IEEE processing in industrial applications), 1A-11, No. 3, pages 328-335 (May / June 1975); Han, S. Han. Lee, Y. Lee Kim, H. Kim G. Kim, J.H. J. Lee, J. Lee J. Yoon, G. G. Kim's paper "Polymer Surface Modification by Plasma Source Ion Implantation", Surfaces & Coatings Technology, Vol. 93, pages 261-264. (1997) and US Pat. No. 6,399,159 to Grace et al.
従って、NT−CDP/SDPの使用により化学プロセッシングを最適化することが望まれている。これは、2000年12月15日出願の米国特許第09/738923号及び2002年2月19日出願の同第60/358340号に記述されており、これらの出願の記載の全てを本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。 Therefore, it is desirable to optimize chemical processing by using NT-CDP / SDP. This is described in US patent application Ser. No. 09 / 728,923 filed on Dec. 15, 2000 and No. 60/358340 filed on Feb. 19, 2002, all of which are incorporated herein by reference. Is incorporated herein by reference as a part thereof.
本発明は、化学プロセッシングを向上させる方法に関する。具体的には、本発明は、NT−CDP/SDPユニットを使用して化学反応を活性化する方法に関する。本発明におけるNT−CDP/SDPユニットは、二層の誘電体層間に設けられた第一電極を含み、第一電極及び誘電体層は少なくとも一個の貫通孔(例えばキャピラリーやスロット)を有する。少なくとも一個の第二電極(例えば、ピンやリング、金属ワイヤ、テーパ付金属ブレード等の形状のもの)が、組み合わされた貫通孔と流体連通関係にあるように設けられる。第一電極と第二電極との間に電圧差が与えられると、貫通孔から非熱プラズマ放電が放射される。すると、処理対象の化学原料が非熱プラズマにさらされる。このプロセッシングは、次に示す例示的化学反応に適している。即ち、(i)官能基を導入した有機化合物を生成するための炭化水素原料の部分酸化、(ii)ポリマー繊維(例えば、炭素繊維製造におけるPAN繊維前駆物質)の化学的安定化、(iii)改質に適した原料を生成するための長鎖石油炭化水素の予備改質、(iv)一酸化炭素と水素ガスを生成するための化学的還元雰囲気(例えば、アンモニアや尿素)中での天然ガスの改質、(v)プラズマ強化水性ガス転化に適している。 The present invention relates to a method for improving chemical processing. Specifically, the present invention relates to a method for activating chemical reactions using NT-CDP / SDP units. The NT-CDP / SDP unit in the present invention includes a first electrode provided between two dielectric layers, and the first electrode and the dielectric layer have at least one through hole (for example, a capillary or a slot). At least one second electrode (eg, in the form of a pin, ring, metal wire, tapered metal blade, etc.) is provided in fluid communication with the combined through-hole. When a voltage difference is applied between the first electrode and the second electrode, a non-thermal plasma discharge is radiated from the through hole. Then, the chemical raw material to be processed is exposed to non-thermal plasma. This processing is suitable for the following exemplary chemical reactions. (I) partial oxidation of hydrocarbon raw materials to produce organic compounds with functional groups introduced; (ii) chemical stabilization of polymer fibers (eg, PAN fiber precursors in carbon fiber production); (iii) Pre-reforming of long-chain petroleum hydrocarbons to produce feedstock suitable for reforming, (iv) natural in a chemical reducing atmosphere (eg ammonia or urea) to produce carbon monoxide and hydrogen gas Suitable for gas reforming and (v) plasma enhanced water gas conversion.
本発明の前述した特徴及び他の特徴は、以下の本発明の例示的実施形態の詳細な説明及び図面からより容易に明らかになるであろう。ここで、類似した図面においては、類似の符号は同様な要素を表わす。 The foregoing and other features of the present invention will become more readily apparent from the following detailed description of exemplary embodiments of the invention and the drawings. Here, in similar drawings, similar symbols represent similar elements.
本発明は、化学反応を活性化する(触媒する)方法に関する。プラズマ体積内に提供された放電に化学原料をさらすと、特定の化学変換の収率及び/又はエネルギー効率を改善することができる。気体、液体、水性及び/又は固体の前駆物質の処理が可能である。NT−CDP/SDPにさらすと反応が高められる例示的な化学反応の種類の例のいくつかを、具体的な例示的反応と共に、次に示す。 The present invention relates to a method of activating (catalyzing) a chemical reaction. Exposure of the chemical source to a discharge provided within the plasma volume can improve the yield and / or energy efficiency of certain chemical transformations. Processing of gaseous, liquid, aqueous and / or solid precursors is possible. The following are some examples of exemplary chemical reaction types that are enhanced upon exposure to NT-CDP / SDP, along with specific exemplary reactions.
(i)アルコール、アルデヒド、ケトン、カルボン酸等、官能基が導入された有機化合物を生成するための炭化水素原料の部分酸化。
例
(I) Partial oxidation of a hydrocarbon raw material to produce an organic compound into which a functional group has been introduced, such as alcohol, aldehyde, ketone, carboxylic acid.
Example
(ii)炭素繊維製造の経路におけるPAN前駆物質の化学的安定化「酸化」。
例
(Ii) Chemical stabilization “oxidation” of the PAN precursor in the carbon fiber production pathway.
Example
(iii)改質に適した原料を生成するための長鎖石油炭化水素の予備改質(「クラッキング」)。
例
(Iii) Pre-reforming ("cracking") of long chain petroleum hydrocarbons to produce feedstock suitable for reforming.
Example
(iv)一酸化炭素と水素ガスを生成するための化学的還元性雰囲気(アンモニアや尿素)中での天然ガスの改質。
例
(Iv) Natural gas reforming in a chemically reducing atmosphere (ammonia or urea) to produce carbon monoxide and hydrogen gas.
Example
(v)プラズマ強化水性ガス転化反応。
例
(V) Plasma enhanced water gas conversion reaction.
Example
前記プロセス(i)及び(ii)では、炭化水素原料の非熱部分酸化(「低温燃焼」)が、NT−CDP/NT−SDPにより活性化される。プラズマにより、周囲空気から次の酸化性の種、即ち酸素原子(O(1D))、水酸基ラジカル(OH)、オゾン(O3)、及び過酸化ラジカル(HO2)が生成され、ガス流内に送られる。これら反応性の高い種は、その後炭化水素分子を選択的に酸化し、この反応により所望の生成物が生成される。例(i)の場合、目的物はCH3(CH2)nCH2OHである。 In the processes (i) and (ii), non-thermal partial oxidation of hydrocarbon feedstock (“low temperature combustion”) is activated by NT-CDP / NT-SDP. By plasma, the following oxidizing species from the ambient air, i.e. oxygen atom (O (1 D)), hydroxyl radical (OH), ozone (O 3), and peroxide radical (HO 2) is generated, the gas stream Sent in. These highly reactive species then selectively oxidize hydrocarbon molecules and the reaction produces the desired product. In the case of example (i), the target product is CH 3 (CH 2 ) n CH 2 OH.
前記(iii)の反応は、好ましくは化学的に中性なプラズマ内で行なわれる。「化学的に中性」という語は、化学的に不活性なキャリアガス(例えばヘリウムが挙げられるがこれに限定されるものではない)を有する環境を意味し、これは直接的な電子衝突による解離により得られる。上に述べたプロセスiv)及びv)は、化学的に還元性のプラズマ内で優先的に起こる。化学的に還元性のプラズマとは、対象とする化学物質の電子数を増加させる傾向のあるプラズマである。(還元は酸化の逆である。)アンモニアや尿素をガス流に加えることにより、メタン(プロセス(i))中や水(プロセス(ii))中の水素から水素ガスへの化学的還元を促進させるのに適した電子リッチのプラズマを作り出すことができる。 The reaction (iii) is preferably carried out in a chemically neutral plasma. The term “chemically neutral” means an environment having a chemically inert carrier gas (including but not limited to helium), which is due to direct electron impact. Obtained by dissociation. Processes iv) and v) described above occur preferentially in a chemically reducing plasma. Chemically reducing plasma is plasma that tends to increase the number of electrons in the target chemical substance. (Reduction is the reverse of oxidation.) Addition of ammonia or urea to the gas stream facilitates the chemical reduction of hydrogen in methane (process (i)) or water (process (ii)) to hydrogen gas. It is possible to create an electron-rich plasma suitable for the generation.
図1a〜1cは、PAN繊維等のポリマー繊維の化学的安定化(酸化)に特に良く適した例示的環状NT−CDPプロセッシングユニットを様々な方向から見た図を示す。このプロセッシングユニットは第二電極2を含み、該電極2は、中空管を形成している二層の絶縁誘電体層8、9の間に配置されている。第二電極2は、所望の膨張係数を有するように選択されている。プロセッシングユニットは、円筒形であるように図示され記述されているが、他の幾何学形状も考えられ、これもまた本発明の範囲内である。高電圧母線5(例えばワイヤメッシュや外部金属シース)が外側誘電体層9の周りに設けられている。
FIGS. 1 a-1 c show views from various directions of an exemplary cyclic NT-CDP processing unit that is particularly well suited for chemical stabilization (oxidation) of polymer fibers such as PAN fibers. This processing unit includes a
図1bは、図1aのプロセッシングユニットの長手方向軸に対して垂直の横断面図である。図1bから明らかなように、好ましくは、複数のキャピラリー4が、誘電体層8、第二電極2及び対向誘電体層9を貫通して半径方向外方に向けて設けられている。各キャピラリー4には石英製等の誘電体スリーブ3が挿入されており、各誘電体スリーブ3にはピン電極1が埋め込まれており、ピン電極1を第二電極2から絶縁している。高電圧母線5は、ピン電極1の列を共通の高電圧源(HV)に接続している。これに替わる構成では、電極がキャピラリーと流体連通関係にある限りは、電極は別の幾何学形状のものでもよく、必ずしもキャピラリーに埋め込まれている必要はない。キャピラリー放電配列のこれに替わる構成のいくつかが、米国特許出願第09/738923号に示され記述されている。図1cは、図1bに示されるキャピラリーの内の一本の拡大図である。
FIG. 1b is a cross-sectional view perpendicular to the longitudinal axis of the processing unit of FIG. 1a. As can be seen from FIG. 1b, a plurality of
動作時、PAN繊維6は、この管状物の通路の中に挿入され、NT−CDP生成に付される。PAN繊維6は、プロセッシングユニット10内でNT−CDプラズマ放電を受け、反対側の端部から安定化PAN繊維7が現れる。
In operation, the
図2a及び2bは、本発明によるNT−CDP気相化学プロセッシングユニットを二方向から見た図である。図2aの断面図によると、一組のキャピラリー20が、誘電体シート11を貫通して設けられている。各キャピラリー20には誘電体スリーブ12が挿入され、高誘電性電流制限キャピラリーを形成している。各キャピラリー20には、ピン状或いは針状の電極10が埋め込まれている。ピン状或いは針状の電極10の列は、ワイヤメッシュや金属シース等の高電圧母線13により、共通の高電圧源に電気的に接続されている。石英、ガラス、セラミック等から形成された誘電体プレート14が、電極プレート15を絶縁するために使用されている。入口移行部16及び出口移行部17により、処理対象のガスが、反応器容積21を有するキャピラリープラズマジェットの列を実質的に横断して通過できるようになっている。密閉されたマニフォールド18は、気体状化学試薬が針電極10及びキャピラリー20を通ってプラズマジェット内を直接通過した後に、プロセス流内に噴出されるようになっている。要素19は、補助的な試薬ガス取込口である。好ましい実施形態においては、系は、プラズマパワーに関して約500ワットから約10KWの範囲で容易に規模の変更ができるものである。プロセッシングユニットは、好ましくは高周波電源を使用するように最適化されている。反応器ギャップ間に必要なピーク間電圧は、キャリアガスにもよるが、好ましくは約5KVから約50KVの範囲である。
2a and 2b are views of the NT-CDP gas phase chemical processing unit according to the present invention as seen from two directions. According to the cross-sectional view of FIG. 2 a, a set of
図3a及び図3bは、窒素キャリアガス中においてイソオクタンとアンモニア蒸気とからNT−CDP利用により水素を生成する実験の結果をグラフ化したものである。確実に定常状態での還元を行うために、300秒間平衡化した後に放電を開始した。具体的には、図3aは、NH3からのH2生成実験における水素検出器の読み値(mA)を時間に対してグラフ化したものである。実験は、パワー200W、NH4OHの濃度15M、N2流量11L/分で行なった。図3bは、H2ガスのppm濃度を時間に対してグラフ化したものを示す。実験は、パワー2000W、NH3(aq)OHの濃度15M、及びN2流量11L/分で行なった。 3a and 3b are graphs showing the results of an experiment for generating hydrogen by using NT-CDP from isooctane and ammonia vapor in a nitrogen carrier gas. To ensure a steady state reduction, the discharge was started after equilibration for 300 seconds. Specifically, FIG. 3a is a graph of the hydrogen detector reading (mA) in the H 2 production experiment from NH 3 versus time. The experiment was performed at a power of 200 W, an NH 4 OH concentration of 15 M, and an N 2 flow rate of 11 L / min. Figure 3b shows a graph of the ppm concentration of the H 2 gas with respect to time. The experiment was performed at a power of 2000 W, an NH 3 (aq) OH concentration of 15 M, and an N 2 flow rate of 11 L / min.
これらの実験結果から、本発明によるNT−CDP構成を使用した場合、プラズマのみ(N2プロット)による干渉は、仮にあったとしても殆ど無く、化学的に中性なプラズマ内でのイソオクタンの改質(イソオクタンのプロット)では水素は少量しか生成されないことが確認された。アンモニアのプロットは、アンモニアの自触媒作用による不均化反応により大量(〜1000ppmV)の水素が生成されたことを示している。アンモニアの存在下イソオクタンを使用した場合に、その相乗効果により最大量の水素(〜1500ppmV)が生成された。生成物の流れに対して行ったGC/MS分析では、この水素生成に関連してプラズマ利用による予備改質(クラッキング)が多量に行われたことも示されている。これらの結果を最適化することにより、凝縮燃料から水素ガスを生成する経済的に有効な方法を提供できるであろう。 From these experimental results, when the NT-CDP configuration according to the present invention is used, there is almost no interference due to the plasma alone (N 2 plot), and the modification of isooctane in a chemically neutral plasma is almost impossible. It was confirmed that only a small amount of hydrogen was produced in the quality (isooctane plot). The ammonia plot shows that a large amount (˜1000 ppmV) of hydrogen was generated by the disproportionation reaction due to the autocatalysis of ammonia. When isooctane was used in the presence of ammonia, the maximum amount of hydrogen (˜1500 ppmV) was produced due to its synergistic effect. GC / MS analysis performed on the product stream also shows that a large amount of plasma pre-reformation (cracking) has been performed in connection with this hydrogen production. Optimizing these results could provide an economically effective way to produce hydrogen gas from condensed fuel.
本発明によるNT−CDP化学プロセッシング法は、従来の熱的な及び/又は触媒的な方法に比べ、消費電力が極めて少なく且つ触媒の経時的な消耗を最小限に抑えるという点で有利である。低消費電力を達成できるのは、変換を起こすために大量のガスを加熱する必要がないためである。加えて、NT−CDP化学プロセッシングはまた、誘電体バリア放電(DBD)やコロナ放電(CD)等の他のプラズマプロセスと比較しても有利である。これは、NT−CDPを使用することにより比較的大きな体積に広がるプラズマが実現できるため、実質的に均質且つ効率的な化学プロセッシングが得られるためである。開示した化学プロセスは、説明のために用いたものであり、決して、本発明の範囲を他の化学プロセッシングに応用できないものとして制限することを意味するものではない。 The NT-CDP chemical processing method according to the present invention is advantageous in that it consumes very little power and minimizes wear over time of the catalyst compared to conventional thermal and / or catalytic methods. Low power consumption can be achieved because it is not necessary to heat a large amount of gas to cause the conversion. In addition, NT-CDP chemical processing is also advantageous compared to other plasma processes such as dielectric barrier discharge (DBD) and corona discharge (CD). This is because the use of NT-CDP makes it possible to realize a plasma that spreads in a relatively large volume, so that substantially homogeneous and efficient chemical processing can be obtained. The disclosed chemical processes are used for illustration and are not meant to limit the scope of the present invention as inapplicable to other chemical processing.
図4a〜図4cは、本発明によるNT−SDP気相化学プロセッシングユニットの例示的実施形態を示す。本実施形態は、ユニットがキャピラリー放電配列の代わりにスロット放電構成を使用している以外は、図2aから図2cに関して示され記述された実施形態と同様である。図4a〜図4cのスロット放電構成は、PAN繊維等のポリマー繊維の化学的安定化に特によく適している。図2a〜図2cに示すユニットに関して記述されたのと同じ符号は同じ参照要素を表わす。図4aでは、スロット4は、長手方向軸に対して実質的に平行に配列されている。これに替えて、スロット4は螺旋方向に設けてもよく、或いは反応器の長軸に対して実質的に垂直に設けてもよい。各スロットには、電極4が挿入されている。例として、電極4は金属ワイヤとすることができ、この場合、対応するスロットの形状を補完するように配置されると共に、スロットに部分的に挿入され、埋め込まれ、或いはスロットの近傍に設けられる。他の実施形態においては、スロットはテーパ付ブレードでもよい。これに替わるスロット放電構成は、米国特許出願第60/358340号に記述されており、その記述の全体を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。このスロット放電配置は、キャピラリー放電構成に比べて広い表面積のプラズマを放出する。
4a-4c show an exemplary embodiment of an NT-SDP gas phase chemical processing unit according to the present invention. This embodiment is similar to the embodiment shown and described with respect to FIGS. 2a-2c, except that the unit uses a slot discharge configuration instead of a capillary discharge arrangement. The slot discharge configuration of FIGS. 4a-4c is particularly well suited for chemical stabilization of polymer fibers such as PAN fibers. The same reference numerals as described with respect to the units shown in FIGS. 2a to 2c represent the same reference elements. In FIG. 4a, the
このように、本発明の新規な基本的特徴を好ましい実施態様に即して図示、説明、指摘してきたが、当業者には、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、図示の装置の形状や詳細部及びその動作について、様々な省略、置換及び変更を行なうことができることが理解されよう。例えば、実質的に同一の方法で実質的に同一の機能を果たして同一の結果を達成する要素及び/又は工程の組合せは全て、本発明の範囲に含まれることが特に意図されている。記載した一実施形態における要素を別の実施形態に置換することも全て意図され考えられている。図面は必ずしも一定の縮尺で描かれているものではなく、元来、単に概念的なものであることも理解されるべきである。従って、本明細書に添付した特許請求の範囲によって示されるようにのみ限定されることを意図するものである。 Thus, while the novel basic features of the present invention have been illustrated, described, and pointed out in the context of a preferred embodiment, those skilled in the art will recognize that the illustrated apparatus is within the spirit and scope of the present invention. It will be understood that various omissions, substitutions and changes may be made in the shape and details and operation thereof. For example, all combinations of elements and / or steps that perform substantially the same function in substantially the same way to achieve the same result are specifically intended to be within the scope of the present invention. All replacements of elements in one described embodiment with another embodiment are contemplated and contemplated. It should also be understood that the drawings are not necessarily drawn to scale, but are merely conceptual in nature. Accordingly, it is intended that the invention be limited only as indicated by the claims appended hereto.
本明細書に言及されている、文献、刊行物及び特許は全て、その全体を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。 All documents, publications, and patents mentioned in this specification are hereby incorporated by reference in their entirety.
Claims (16)
第一の電極と第二の電極との間に電圧差を与えることにより貫通孔から非熱プラズマ放電を発生させる工程と、
貫通孔から放射された非熱プラズマに化学原料をさらす工程と
を含む方法。 A method of activating a chemical reaction using a non-thermal discharge unit, the unit comprising a first electrode provided between two dielectric layers, wherein the first electrode and the dielectric layer are At least one through-hole, and at least one second electrode is provided in fluid communication with the combined through-hole, the method comprising:
Generating a nonthermal plasma discharge from the through hole by applying a voltage difference between the first electrode and the second electrode;
Exposing the chemical source to non-thermal plasma emitted from the through-hole.
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